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The capability of electrospray ionization (ESI)-ion mobility (IM) spectrometry for reaction monitoring is assessed both as a stand-alone real-time technique and in combination with HPLC. A three-step chemical reaction, consisting of a Williamson ether synthesis followed by a hydrogenation and an N-alkylation step, is chosen for demonstration. Intermediates and products are determined with a drift time to mass-per-charge correlation. Addition of an HPLC column to the setup increases the separation power and allows the determination of further species. Monitoring of the intensities of the various species over the reaction time allows the detection of the end of reaction, determination of the rate-limiting step, observation of the system response in discontinuous processes, and optimization of the mass ratios of the starting materials. However, charge competition in ESI influences the quantitative detection of substances in the reaction mixture. Therefore, two different methods are investigated, which allow the quantification and investigation of reaction kinetics. The first method is based on the pre-separation of the compounds on an HPLC column and their subsequent individual detection in the ESI-IM spectrometer. The second method involves an extended calibration procedure, which considers charge competition effects and facilitates nearly real-time quantification.
Die Elektrosprayionisation (ESI) ist eine der weitverbreitetsten Ionisationstechniken für flüssige Pro-ben in der Massen- und Ionenmobilitäts(IM)-Spektrometrie. Aufgrund ihrer schonenden Ionisierung wird ESI vorwiegend für empfindliche, komplexe Moleküle in der Biologie und Medizin eingesetzt. Überdies ist sie allerdings für ein sehr breites Spektrum an Substanzklassen anwendbar. Die IM-Spektrometrie wurde ursprünglich zur Detektion gasförmiger Proben entwickelt, die hauptsächlich durch radioaktive Quellen ionisiert werden. Sie ist die einzige analytische Methode, bei der Isomere in Echtzeit getrennt und über ihre charakteristische IM direkt identifiziert werden können. ESI wurde in den 90ger Jahren durch die Hill Gruppe in die IM-Spektrometrie eingeführt. Die Kombination wird bisher jedoch nur von wenigen Gruppen verwendet und hat deshalb noch ein hohes Entwick-lungspotential. Ein vielversprechendes Anwendungsfeld ist der Einsatz in der Hochleistungs-flüssigkeitschromatographie (HPLC) zur mehrdimensionalen Trennung. Heutzutage ist die HPLC die Standardmethode zur Trennung komplexer Proben in der Routineanalytik. HPLC-Trennungsgänge sind jedoch häufig langwierig und der Einsatz verschiedener Laufmittel, hoher Flussraten, von Puffern, sowie Laufmittelgradienten stellt hohe Anforderungen an die Detektoren. Die ESI-IM-Spektrometrie wurde in einigen Studien bereits als HPLC-Detektor eingesetzt, war dort bisher jedoch auf Flussratensplitting oder geringe Flussraten des Laufmittels beschränkt.
In dieser kumulativen Doktorarbeit konnte daher erstmals ein ESI IM-Spektrometer als HPLC-Detektor für den Flussratenbereich von 200-1500 μl/min entwickelt werden. Anhand von fünf Publi-kationen wurden (1) über eine umfassende Charakterisierung die Eignung des Spektrometers als HPLC-Detektor festgestellt, (2) ausgewählte komplexe Trenngänge präsentiert und (3) die Anwen-dung zum Reaktionsmonitoring und (4, 5) mögliche Weiterentwicklungen gezeigt.
Erfolgreich konnten mit dem selbst-entwickelten ESI IM-Spektrometer typische HPLC-Bedingungen wie Wassergehalte im Laufmittel von bis zu 90%, Pufferkonzentrationen von bis zu 10 mM, sowie Nachweisgrenzen von bis zu 50 nM erreicht werden. Weiterhin wurde anhand der komplexen Trennungsgänge (24 Pestizide/18 Aminosäuren) gezeigt, dass die HPLC und die IM-Spektrometrie eine hohe Orthogonalität besitzen. Eine effektive Peakkapazität von 240 wurde so realisiert. Auf der HPLC-Säule koeluierende Substanzen konnten über die Driftzeit getrennt und über ihre IM identifi-ziert werden, sodass die Gesamttrennzeiten erheblich minimiert werden konnten. Die Anwend-barkeit des ESI IM-Spektrometers zur Überwachung chemischer Synthesen wurde anhand einer dreistufigen Reaktion demonstriert. Es konnten die wichtigsten Edukte, Zwischenprodukte und Produkte aller Stufen identifiziert werden. Eine quantitative Auswertung war sowohl über eine kurze HPLC-Vortrennung als auch durch die Entwicklung eines eigenen Kalibrierverfahrens, welches die Ladungskonkurrenz bei ESI berücksichtigt, ohne HPLC möglich. Im zweiten Teil der Arbeit werden zwei Weiterentwicklungen des Spektrometers präsentiert. Eine Möglichkeit ist die Reduzierung des Drucks in den intermediären Bereich (300 - 1000 mbar) mit dem Ziel der Verringerung der benötigten Spannungen. Mithilfe von Streulichtbildern und Strom-Spannungs-Kurven wurden für geringe Drücke eine verminderte Freisetzung der Analyt-Ionen aus den Tropfen festgestellt. Die Verluste konnten jedoch über höhere elektrische Feldstärken ausgeglichen werden, sodass gleiche Nachweisgrenzen bei 500 mbar und bei 1 bar erreicht wurden. Die zweite Weiterentwicklung ist ein neuartiges Ionentors mit Pulsschaltung, welches eine Verdopplung der Auflösung auf bis zu R > 100 bei gleicher Sensitivität ermöglichte. Eine denkbare Anwendung im Bereich der Peptidanalytik wurde mit beachtlichen Auflösungen der Peptide von R = 90 gezeigt.
The pressure dependence of sheath gas assisted electrospray ionization (ESI) was investigated based on two complementary experimental setups, namely an ESI-ion mobility (IM) spectrometer and an ESI capillary - Faraday plate setup housed in an optically accessible vacuum chamber. The ESI-IM spectrometer is capable of working in the pressure range between 300 and 1000 mbar. Another aim was the assessment of the analytical capabilities of a subambient pressure ESI-IM spectrometer. The pressure dependence of ESI was characterized by imaging the electrospray and recording current-voltage (I-U) curves. Qualitatively different behavior was observed in both setups. While the current rises continuously with the voltage in the capillary-plate setup, a sharp increase of the current was measured in the IM spectrometer above a pressure-dependent threshold voltage. The different character can be attributed to the detection of different species in both experiments. In the capillary-plate experiment, a multitude of charged species are detected while only desolvated ions attribute to the IM spectrometer signal. This finding demonstrates the utility of IM spectrometry for the characterization of ESI, since in contrast to the capillary-plate setup, the release of ions from the electrospray droplets can be observed. The I-U curves change significantly with pressure. An important result is the reduction of the maximum current with decreasing pressure. The connected loss of ionization efficiency can be compensated by a more efficient transfer of ions in the IM spectrometer at increased E/N. Thus, similar limits of detection could be obtained at 500 mbar and 1 bar.